Efter 90 år, en bedre måde at måle sammensætningen af ​​papir på

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), i samarbejde med U.S. Government Publishing Office (GPO), har udviklet en roman, ikke-destruktiv metode til hurtigt at måle træ- og ikke-træfiberkomponenter i papir.

Identifikation og måling af forholdet mellem plantefibre, der bruges til fremstilling af papir, har bred anvendelse i kriminel retsmedicin, bevare kunst, godkendelse af historiske dokumenter, vurdere indholdet af genbrugspapir og sikre, at pas og andre amerikanske regeringsdokumenter udskrives på det nødvendige sikkerhedspapir.

For eksempel, regeringsdokumenter af høj kvalitet oprettes ofte med fibre af ikke-træ som f.eks. bomuld. Træafledte fibre gør papir mere skørt over tid og kan hjælpe med at afsløre dets alder. Retsmedicinske efterforskere på et gerningssted leder ofte efter materialeoverførsel mellem enkeltpersoner; sådanne materialer omfatter de slags fibre, der er i papir.

På trods af dens betydning, den nuværende metode til analyse af papir har ændret sig lidt, siden fiberteknolog Mary Rollins fra NIST (dengang kendt som National Bureau of Standards) hjalp med at foregå i metoden i 1920'erne og 30'erne. Efter moderne standarder, imidlertid, teknikken er besværlig, tidskrævende og meget subjektiv. Processen kræver også, at man ofrer en del af papirprøven, som kan være begrænsede og nødvendige for beviser.

For at frigøre individuelle fibre i prøven, papiret skal koges i vand, macereret (blødgjort) med en rørestang af glas og behandlet med flere kemikalier. Derefter anbringes en pipette fuld af fiberopløsningen på et objektglas til tørring. Næste, jod pletter fiberen for at gøre den synlig. Derefter, analytikeren skal stole på sin hukommelse og synsskarphed for at matche formen af ​​de farvede fibre til lærebogsbilleder af omkring 100 plantefibre.

NIST -forskere Yaw Obeng, Jan Obrzut og Dianne Plakat, sammen med NIST -gæsteforsker Michael Postek og deres kollega Mary Kombolias fra GPO, har nu bragt fiberanalysen af ​​papir ind i det 21. århundrede, ved hjælp af en metode, der for nylig blev brugt til at undersøge materialets ældning i mikroelektroniske enheder på halvlederchips. Deres målinger kan udføres på få minutter og efterlade hele papirarket intakt.

Teknikken, kendt som dielektrisk spektroskopi, identificerer sammensætningen af ​​materialer ved at undersøge, hvordan bestemte molekyler reagerer på et hurtigt skiftende elektrisk felt. Ved tilpasning af teknikken til papir, forskerne fokuserede på vandmolekylers adfærd, som tilføjes under fremstillingsprocessen og også er en nøglekomponent i plantefibrene, der bruges til fremstilling af papir. (Vandmolekyler er en lille, men vigtig bestanddel af tørt papir.)

Mikrobølger, der skinner på et ark papir, får molekylerne til at rotere. Den hastighed, hvormed vandmolekyler roterer i papir, adskiller sig fra den hastighed, de ville rotere i frit rum. Det er fordi vandmolekylerne i fibrene er bundet til naturligt forekommende polymerer og andre materialer i papiret, som påvirker rotationshastigheden. Den specifikke frekvens, hvormed vandmolekylerne roterer, giver derfor et fingerpeg om vandmolekylernes kemiske miljø og derfor papirets indhold.

Vandmolekyler giver fremragende sonder for sammensætningen af ​​papiret, hvori de er. Vand er et polært molekyle, hvilket betyder, at dens positive og negative ladninger er lidt adskilt fra hinanden. Som følge af denne adskillelse, den ene ende af et vandmolekyle har en positiv ladning, mens den anden ende har en negativ. Når der påføres et skiftevis elektrisk felt på papiret, vandmolekylernes polaritet flugter med det elektriske felts retning. Når feltet vender retning, hvilket sker mange milliarder gange i sekundet, vandmolekylerne forsøger at følge trop, vende deres polaritet synkroniseret med feltet. Men kampen er ikke perfekt.

Det skyldes i høj grad, at vandmolekylernes reaktion afhænger af papirets sammensætning - specifikt arten af ​​de polymerer, som vandmolekylerne er bundet til. For eksempel, lignin, en polymer i plantecellevægge, der gør planter stive og træagtige, vil betydeligt bremse den hastighed, hvormed vandmolekylerne kan vende deres orientering, når et alternerende elektrisk felt påføres. Registrering af vandmolekylernes responsrate giver derfor et meget følsomt mål for typen af ​​plantefibre og deres koncentration i en papirprøve.

"Hvor hurtigt vandmolekylerne tilpasser sig det vekslende elektriske felt, fortæller os meget om papirets sammensætning, "Sagde Obeng.

Forskerne rapporterede deres fund i en nylig udgave af Tappi Journal , som omfatter forskning om skovprodukter og beslægtede industrier.

Holdet, sammen med andre forskere, undersøger nu, hvordan den samme metode kan bruges til at opdage skadelige bakterier på overflader i hospitalsrum, og på nyligt fangede fisk og andre letfordærvelige fødevarer. Teknikken fungerer muligvis fordi, ligesom vandmolekyler, nogle bakterier har en særpræget måde at omorientere sig selv på i nærvær af en vekselstrøm og slappe af, når strømmen slukkes.